# GPU
:label:`sec_use_gpu`

在 :numref:`tab_intro_decade`中，
我们回顾了过去20年计算能力的快速增长。
简而言之，自2000年以来，GPU性能每十年增长1000倍。

本节，我们将讨论如何利用这种计算性能进行研究。
首先是如何使用单个GPU，然后是如何使用多个GPU和多个服务器（具有多个GPU）。

我们先看看如何使用单个NVIDIA GPU进行计算。
首先，确保你至少安装了一个NVIDIA GPU。
然后，下载[NVIDIA驱动和CUDA](https://developer.nvidia.com/cuda-downloads)
并按照提示设置适当的路径。
当这些准备工作完成，就可以使用`nvidia-smi`命令来(**查看显卡信息。**)

```{.python .input}
#@tab all
!nvidia-smi
```

:begin_tab:`mxnet`
之前，你可能已经注意到MXNet张量看起来与NumPy的`ndarray`几乎相同。
但有一些关键区别，其中之一是MXNet支持不同的硬件设备。

在MXNet中，每个数组都有一个上下文（context）。
默认情况下，所有变量和相关的计算都分配给CPU。
有时上下文可能是GPU。
当我们跨多个服务器部署作业时，事情会变得更加棘手。
通过智能地将数组分配给上下文，
我们可以最大限度地减少在设备之间传输数据的时间。
例如，当在带有GPU的服务器上训练神经网络时，
我们通常希望模型的参数在GPU上。

接下来，我们需要确认是否安装了MXNet的GPU版本。
如果已经安装了MXNet的CPU版本，我们需要先卸载它。
例如，使用`pip uninstall mxnet`命令，
然后根据你的CUDA版本安装相应的MXNet的GPU版本。
例如，假设你已经安装了CUDA10.0，
你可以通过`pip install mxnet-cu100`安装支持CUDA10.0的MXNet版本。
:end_tab:

:begin_tab:`pytorch`
在PyTorch中，每个数组都有一个设备（device），
我们通常将其称为上下文（context）。
默认情况下，所有变量和相关的计算都分配给CPU。
有时上下文可能是GPU。
当我们跨多个服务器部署作业时，事情会变得更加棘手。
通过智能地将数组分配给上下文，
我们可以最大限度地减少在设备之间传输数据的时间。
例如，当在带有GPU的服务器上训练神经网络时，
我们通常希望模型的参数在GPU上。
:end_tab:

要运行此部分中的程序，至少需要两个GPU。
注意，对于大多数桌面计算机来说，这可能是奢侈的，但在云中很容易获得。
例如，你可以使用AWS EC2的多GPU实例。
本书的其他章节大都不需要多个GPU，
而本节只是为了展示数据如何在不同的设备之间传递。

## [**计算设备**]

我们可以指定用于存储和计算的设备，如CPU和GPU。
默认情况下，张量是在内存中创建的，然后使用CPU计算它。

:begin_tab:`mxnet`
在MXNet中，CPU和GPU可以用`cpu()`和`gpu()`表示。
需要注意的是，`cpu()`（或括号中的任意整数）表示所有物理CPU和内存，
这意味着MXNet的计算将尝试使用所有CPU核心。
然而，`gpu()`只代表一个卡和相应的显存。
如果有多个GPU，我们使用`gpu(i)`表示第$i$块GPU（$i$从0开始）。
另外，`gpu(0)`和`gpu()`是等价的。
:end_tab:

:begin_tab:`pytorch`
在PyTorch中，CPU和GPU可以用`torch.device('cpu')`
和`torch.device('cuda')`表示。
应该注意的是，`cpu`设备意味着所有物理CPU和内存，
这意味着PyTorch的计算将尝试使用所有CPU核心。
然而，`gpu`设备只代表一个卡和相应的显存。
如果有多个GPU，我们使用`torch.device(f'cuda:{i}')`
来表示第$i$块GPU（$i$从0开始）。
另外，`cuda:0`和`cuda`是等价的。
:end_tab:

```{.python .input}
from mxnet import np, npx
from mxnet.gluon import nn
npx.set_np()

npx.cpu(), npx.gpu(), npx.gpu(1)
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
import torch
from torch import nn

torch.device('cpu'), torch.device('cuda'), torch.device('cuda:1')
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
import tensorflow as tf

tf.device('/CPU:0'), tf.device('/GPU:0'), tf.device('/GPU:1')
```

我们可以(**查询可用gpu的数量。**)

```{.python .input}
npx.num_gpus()
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
torch.cuda.device_count()
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))
```

现在我们定义了两个方便的函数，
[**这两个函数允许我们在不存在所需所有GPU的情况下运行代码。**]

```{.python .input}
def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    return npx.gpu(i) if npx.num_gpus() >= i + 1 else npx.cpu()

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu()]"""
    devices = [npx.gpu(i) for i in range(npx.num_gpus())]
    return devices if devices else [npx.cpu()]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    if torch.cuda.device_count() >= i + 1:
        return torch.device(f'cuda:{i}')
    return torch.device('cpu')

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]"""
    devices = [torch.device(f'cuda:{i}')
             for i in range(torch.cuda.device_count())]
    return devices if devices else [torch.device('cpu')]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
def try_gpu(i=0):  #@save
    """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    if len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU')) >= i + 1:
        return tf.device(f'/GPU:{i}')
    return tf.device('/CPU:0')

def try_all_gpus():  #@save
    """返回所有可用的GPU，如果没有GPU，则返回[cpu(),]"""
    num_gpus = len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))
    devices = [tf.device(f'/GPU:{i}') for i in range(num_gpus)]
    return devices if devices else [tf.device('/CPU:0')]

try_gpu(), try_gpu(10), try_all_gpus()
```

## 张量与GPU

我们可以[**查询张量所在的设备。**]
默认情况下，张量是在CPU上创建的。

```{.python .input}
x = np.array([1, 2, 3])
x.ctx
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
x = torch.tensor([1, 2, 3])
x.device
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
x = tf.constant([1, 2, 3])
x.device
```

需要注意的是，无论何时我们要对多个项进行操作，
它们都必须在同一个设备上。
例如，如果我们对两个张量求和，
我们需要确保两个张量都位于同一个设备上，
否则框架将不知道在哪里存储结果，甚至不知道在哪里执行计算。

### [**存储在GPU上**]

有几种方法可以在GPU上存储张量。
例如，我们可以在创建张量时指定存储设备。接
下来，我们在第一个`gpu`上创建张量变量`X`。
在GPU上创建的张量只消耗这个GPU的显存。
我们可以使用`nvidia-smi`命令查看显存使用情况。
一般来说，我们需要确保不创建超过GPU显存限制的数据。

```{.python .input}
X = np.ones((2, 3), ctx=try_gpu())
X
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
X = torch.ones(2, 3, device=try_gpu())
X
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
with try_gpu():
    X = tf.ones((2, 3))
X
```

假设你至少有两个GPU，下面的代码将在(**第二个GPU上创建一个随机张量。**)

```{.python .input}
Y = np.random.uniform(size=(2, 3), ctx=try_gpu(1))
Y
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
Y = torch.rand(2, 3, device=try_gpu(1))
Y
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
with try_gpu(1):
    Y = tf.random.uniform((2, 3))
Y
```

### 复制

如果我们[**要计算`X + Y`，我们需要决定在哪里执行这个操作**]。
例如，如 :numref:`fig_copyto`所示，
我们可以将`X`传输到第二个GPU并在那里执行操作。
*不要*简单地`X`加上`Y`，因为这会导致异常，
运行时引擎不知道该怎么做：它在同一设备上找不到数据会导致失败。
由于`Y`位于第二个GPU上，所以我们需要将`X`移到那里，
然后才能执行相加运算。

![复制数据以在同一设备上执行操作](../img/copyto.svg)
:label:`fig_copyto`

```{.python .input}
Z = X.copyto(try_gpu(1))
print(X)
print(Z)
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
Z = X.cuda(1)
print(X)
print(Z)
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
with try_gpu(1):
    Z = X
print(X)
print(Z)
```

[**现在数据在同一个GPU上（`Z`和`Y`都在），我们可以将它们相加。**]

```{.python .input}
#@tab all
Y + Z
```

:begin_tab:`mxnet`
假设变量`Z`已经存在于第二个GPU上。
如果现在我们还是调用`Z.copyto(gpu(1))`会发生什么？
即使该变量已经存在于目标设备（第二个GPU）上，
它仍将被复制并保存在新分配的显存中。
有时，我们只想在变量存在于不同设备中时进行复制。
在这种情况下，我们可以调用`as_in_ctx`。
如果变量已经存在于指定的设备中，则这不会进行任何操作。
除非你特别想创建一个复制，否则选择`as_in_ctx`方法。
:end_tab:

:begin_tab:`pytorch`
假设变量`Z`已经存在于第二个GPU上。
如果我们还是调用`Z.cuda(1)`会发生什么？
它将返回`Z`，而不会复制并分配新内存。
:end_tab:

:begin_tab:`tensorflow`
假设变量`Z`已经存在于第二个GPU上。
如果我们仍然在同一个设备作用域下调用`Z2 = Z`会发生什么？
它将返回`Z`，而不会复制并分配新内存。
:end_tab:

```{.python .input}
Z.as_in_ctx(try_gpu(1)) is Z
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
Z.cuda(1) is Z
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
with try_gpu(1):
    Z2 = Z
Z2 is Z
```

### 旁注

人们使用GPU来进行机器学习，因为单个GPU相对运行速度快。
但是在设备（CPU、GPU和其他机器）之间传输数据比计算慢得多。
这也使得并行化变得更加困难，因为我们必须等待数据被发送（或者接收），
然后才能继续进行更多的操作。
这就是为什么拷贝操作要格外小心。
根据经验，多个小操作比一个大操作糟糕得多。
此外，一次执行几个操作比代码中散布的许多单个操作要好得多（除非你确信自己在做什么）。
如果一个设备必须等待另一个设备才能执行其他操作，
那么这样的操作可能会阻塞。
这有点像排队订购咖啡，而不像通过电话预先订购：
当你到店的时候，咖啡已经准备好了。

最后，当我们打印张量或将张量转换为NumPy格式时，
如果数据不在内存中，框架会首先将其复制到内存中，
这会导致额外的传输开销。
更糟糕的是，它现在受制于全局解释器锁，使得一切都得等待Python完成。

## [**神经网络与GPU**]

类似地，神经网络模型可以指定设备。
下面的代码将模型参数放在GPU上。

```{.python .input}
net = nn.Sequential()
net.add(nn.Dense(1))
net.initialize(ctx=try_gpu())
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
net = nn.Sequential(nn.Linear(3, 1))
net = net.to(device=try_gpu())
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
strategy = tf.distribute.MirroredStrategy()
with strategy.scope():
    net = tf.keras.models.Sequential([
        tf.keras.layers.Dense(1)])
```

在接下来的几章中，
我们将看到更多关于如何在GPU上运行模型的例子，
因为它们将变得更加计算密集。

当输入为GPU上的张量时，模型将在同一GPU上计算结果。

```{.python .input}
#@tab all
net(X)
```

让我们(**确认模型参数存储在同一个GPU上。**)

```{.python .input}
net[0].weight.data().ctx
```

```{.python .input}
#@tab pytorch
net[0].weight.data.device
```

```{.python .input}
#@tab tensorflow
net.layers[0].weights[0].device, net.layers[0].weights[1].device
```

总之，只要所有的数据和参数都在同一个设备上，
我们就可以有效地学习模型。
在下面的章节中，我们将看到几个这样的例子。

## 小结

* 我们可以指定用于存储和计算的设备，例如CPU或GPU。默认情况下，数据在主内存中创建，然后使用CPU进行计算。
* 深度学习框架要求计算的所有输入数据都在同一设备上，无论是CPU还是GPU。
* 不经意地移动数据可能会显著降低性能。一个典型的错误如下：计算GPU上每个小批量的损失，并在命令行中将其报告给用户（或将其记录在NumPy `ndarray`中）时，将触发全局解释器锁，从而使所有GPU阻塞。最好是为GPU内部的日志分配内存，并且只移动较大的日志。

## 练习

1. 尝试一个计算量更大的任务，比如大矩阵的乘法，看看CPU和GPU之间的速度差异。再试一个计算量很小的任务呢？
1. 我们应该如何在GPU上读写模型参数？
1. 测量计算1000个$100 \times 100$矩阵的矩阵乘法所需的时间，并记录输出矩阵的Frobenius范数，一次记录一个结果，而不是在GPU上保存日志并仅传输最终结果。
1. 测量同时在两个GPU上执行两个矩阵乘法与在一个GPU上按顺序执行两个矩阵乘法所需的时间。提示：你应该看到近乎线性的缩放。

:begin_tab:`mxnet`
[Discussions](https://discuss.d2l.ai/t/1843)
:end_tab:

:begin_tab:`pytorch`
[Discussions](https://discuss.d2l.ai/t/1841)
:end_tab:

:begin_tab:`tensorflow`
[Discussions](https://discuss.d2l.ai/t/1842)
:end_tab:
